CAN總線35周年，回顧它的前世今生

來(lái)源 | 安富萊電子

編排 | strongerHuang

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在1980年代初期，博世的工程師正在評(píng)估現(xiàn)有的串行總線系統(tǒng)，以探討其在汽車(chē)中的可能用途。由于沒(méi)有可用的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議能夠滿足汽車(chē)工程師的要求，因此Uwe Kiencke于1983年開(kāi)始開(kāi)發(fā)新的串行總線系統(tǒng)。
新的總線協(xié)議主要是要增加新的功能 --- 減少線束不是CAN發(fā)展背后的驅(qū)動(dòng)力。奔馳的工程師很早就參與了新的串行總線系統(tǒng)的規(guī)范制定階段，英特爾作為潛在的主要半導(dǎo)體供應(yīng)商也參與了進(jìn)來(lái)。來(lái)自德國(guó)Braunschweig-Wolfenbüttel的應(yīng)用科學(xué)大學(xué)（現(xiàn)為Ostfalia University of Applied Science）的Wolfhard Lawrenz教授被聘為顧問(wèn)，他將新的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議命名為“Controller Area Network（控制器區(qū)域網(wǎng)絡(luò)）”。來(lái)自卡爾斯魯厄大學(xué)的Horst Wettstein教授也提供了學(xué)術(shù)幫助。
1986年2月，CAN誕生了：在底特律的SAE大會(huì)上，新的總線系統(tǒng)被稱(chēng)為“Automotive Serial Controller Area Network（汽車(chē)串行控制器局域網(wǎng)）”。Uwe Kiencke，Siegfried Dais和Martin Litschel介紹了多主網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。它基于一種非破壞性仲裁機(jī)制，該機(jī)制允許總線訪問(wèn)具有最高優(yōu)先級(jí)的幀而沒(méi)有任何延遲。沒(méi)有中心控制器。此外，CAN之父（上述人員以及博世員工Wolfgang Borst，Wolfgang Botzenhard，Otto Karl，Helmut Schelling和Jan Unruh）已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了幾種錯(cuò)誤檢測(cè)機(jī)制。錯(cuò)誤處理還包括自動(dòng)斷開(kāi)故障總線節(jié)點(diǎn)，以保持其余節(jié)點(diǎn)之間的通信。傳輸?shù)膸皇怯蓭l(fā)送器或幀接收器的節(jié)點(diǎn)地址（幾乎在所有其他總線系統(tǒng)中）識(shí)別的，而是由它們的內(nèi)容識(shí)別的。表示幀有效載荷的標(biāo)識(shí)符，還具有指定幀在網(wǎng)絡(luò)段內(nèi)的優(yōu)先級(jí)。
隨后，許多介紹該創(chuàng)新通信協(xié)議的演講和出版物，直到1987年中期（比計(jì)劃提前兩個(gè)月），英特爾才交付了第一款CAN控制器芯片82526。這是CAN協(xié)議的第一個(gè)硬件實(shí)現(xiàn)。在短短四年內(nèi)，一個(gè)想法就變成了現(xiàn)實(shí)。此后不久，飛利浦半導(dǎo)體推出了82C200。CAN控制器的這兩個(gè)最早的祖先在接受過(guò)濾和幀處理方面有很大的不同。一方面，與飛利浦選擇的BasicCAN實(shí)施相比，英特爾所青睞的FullCAN概念要求所連接的微控制器的CPU負(fù)載更少。另一方面，F(xiàn)ullCAN設(shè)備在可以接收的幀數(shù)方面受到限制。BasicCAN控制器還需要更少的硅。在當(dāng)今的CAN控制器中，實(shí)現(xiàn)了接受過(guò)濾和幀處理這兩種概念的混合。這使BasicCAN和FullCAN的誤導(dǎo)性術(shù)語(yǔ)過(guò)時(shí)了。

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博世CAN規(guī)范（2.0版）已于1990年代初提交國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化。在發(fā)生了幾場(chǎng)政治糾紛之后，尤其是涉及到法國(guó)一些主要汽車(chē)制造商開(kāi)發(fā)的“車(chē)載區(qū)域網(wǎng)絡(luò)”（VAN，Vehicle Area Network），ISO 11898標(biāo)準(zhǔn)于1993年11月發(fā)布。除了CAN協(xié)議外，它還標(biāo)準(zhǔn)化了物理層，速率高達(dá)1 Mbit / s。同時(shí)，ISO 11519-2對(duì)通過(guò)CAN的低功耗，容錯(cuò)數(shù)據(jù)傳輸方式進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化。由于該標(biāo)準(zhǔn)存在缺陷，因此從未實(shí)施。在1995年，ISO 11898標(biāo)準(zhǔn)通過(guò)附錄進(jìn)行了擴(kuò)展，該附錄描述了使用29位CAN標(biāo)識(shí)符的擴(kuò)展幀格式。
不幸的是，所有已發(fā)布的CAN規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)化都包含錯(cuò)誤或不完整。為避免不兼容的CAN實(shí)施方案，Bosch確保所有CAN芯片均符合Bosch CAN參考模型。此外，由Wolfhard Lawrenz教授領(lǐng)導(dǎo)的德國(guó)Braunschweig-Wolfenbüttel應(yīng)用科學(xué)大學(xué)已經(jīng)進(jìn)行了幾年的CAN一致性測(cè)試。所使用的測(cè)試模式基于ISO 16845一致性測(cè)試計(jì)劃標(biāo)準(zhǔn)系列。今天，多家測(cè)試機(jī)構(gòu)可提供CAN一致性測(cè)試服務(wù)。
修訂后的CAN規(guī)范已標(biāo)準(zhǔn)化。ISO 11898-1描述了“ CAN數(shù)據(jù)鏈路層”，ISO 11898-2標(biāo)準(zhǔn)化了“非容錯(cuò)” CAN物理層，而ISO 11898-3指定了“容錯(cuò)CAN物理層”。ISO 11992系列（卡車(chē)和拖車(chē)接口）和ISO 11783（農(nóng)業(yè)和林業(yè)機(jī)械）系列指定了基于SAE J1939網(wǎng)絡(luò)方法的應(yīng)用程序配置文件。它們不兼容，因?yàn)槲锢韺右?guī)范不同。

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盡管CAN最初被開(kāi)發(fā)用于汽車(chē)，但最初的應(yīng)用來(lái)自不同的市場(chǎng)領(lǐng)域。特別是在北歐，CAN在早期已經(jīng)非常流行。在芬蘭，電梯制造商Kone 使用了CAN總線。瑞典工程辦公室Kvaser向一些紡織機(jī)械制造商（Lindauer Dornier和Sulzer）及其供應(yīng)商建議將CAN作為機(jī)器內(nèi)部的通信協(xié)議。在Lars-Berno Fredriksson的領(lǐng)導(dǎo)下，這些公司成立了“ CAN紡織品用戶小組”。到1989年，他們制定了溝通原則，有助于在1990年代初塑造發(fā)展環(huán)境“ CAN Kingdom”。盡管相對(duì)于OSI參考模型，CAN Kingdom不是應(yīng)用程序?qū)印?br /> 在荷蘭，飛利浦醫(yī)療系統(tǒng)決定將CAN用于其X射線機(jī)的內(nèi)部聯(lián)網(wǎng)，從而加入了工業(yè)CAN用戶。主要由Tom Suters開(kāi)發(fā)的“ Philips消息規(guī)范”（PMS）代表了CAN網(wǎng)絡(luò)的第一個(gè)應(yīng)用層。來(lái)自德國(guó)Weingarten應(yīng)用科學(xué)大學(xué)的Konrad Etschberger教授也有相同的想法，在他負(fù)責(zé)的Steinbeis過(guò)程自動(dòng)化轉(zhuǎn)移中心（STZP）中，他開(kāi)發(fā)了類(lèi)似的協(xié)議。
盡管第一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化的高層協(xié)議開(kāi)始出現(xiàn)，但大多數(shù)CAN開(kāi)拓者還是采用了整體法。通信功能，網(wǎng)絡(luò)管理和應(yīng)用程序代碼是一種軟件。即使某些用戶希望采用模塊化的方法，但他們?nèi)杂袑?zhuān)有解決方案的缺點(diǎn)。增強(qiáng)和維護(hù)CAN高層協(xié)議的必要努力被低估了 ---今天仍然部分是正確的。
在1990年代初，是時(shí)候成立了一個(gè)用戶小組，以推廣CAN協(xié)議并促進(jìn)其在許多應(yīng)用中的使用。1992年1月，當(dāng)時(shí)的《 VMEbus》雜志編輯（出版商：Franzis）的Holger Zeltwanger吸引了用戶和制造商一起建立了一個(gè)中立的平臺(tái)，用于CAN的技術(shù)增強(qiáng)以及串行總線系統(tǒng)的市場(chǎng)營(yíng)銷(xiāo)。兩個(gè)月后，“ CAN in Automation”（CiA）國(guó)際用戶和制造商小組正式成立。在早期，CAN通訊已經(jīng)出版。
僅幾周后發(fā)布的第一份技術(shù)出版物涉及物理層：CiA建議僅使用符合ISO 11898的CAN收發(fā)器。如今，制造商專(zhuān)用的EIA-485收發(fā)器在CAN網(wǎng)絡(luò)中非常普遍，那個(gè)時(shí)候，并不總是兼容，應(yīng)該已經(jīng)完全消失了。
CiA的首要任務(wù)之一是規(guī)范CAN應(yīng)用層。利用飛利浦醫(yī)療系統(tǒng)公司和STZP提供的現(xiàn)有材料，并在CiA其他成員的幫助下，開(kāi)發(fā)了“ CAN應(yīng)用程序?qū)印保–AL），也稱(chēng)為“綠皮書(shū)”。在使用CAN制定規(guī)范時(shí)，CiA的主要任務(wù)之一是組織CAN專(zhuān)家與那些希望在CAN上變得更多知識(shí)的專(zhuān)家之間的信息交換。因此，自1994年以來(lái)，舉行了國(guó)際CAN會(huì)議（iCC）。
LAV（德國(guó)農(nóng)業(yè)車(chē)輛協(xié)會(huì)）追求另一種學(xué)術(shù)方法。自1980年代后期以來(lái)，已經(jīng)開(kāi)發(fā)了基于CAN的農(nóng)用車(chē)輛總線系統(tǒng)（LBS）。但是在這項(xiàng)工作可以成功完成之前，國(guó)際委員會(huì)已決定支持美國(guó)的解決方案J1939（ISO 11783）。此應(yīng)用程序配置文件也基于CAN，由SAE卡車(chē)和公共汽車(chē)協(xié)會(huì)的委員會(huì)定義。J1939是一種非模塊化方法，非常易于使用，但也非常不靈活。
還為卡車(chē)開(kāi)發(fā)了CAN的標(biāo)準(zhǔn)化?？ㄜ?chē)和拖車(chē)之間的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)化為ISO11992。該協(xié)議基于J1939，從2006年起必須在歐洲使用。汽車(chē)的趨勢(shì)是向OSEK-COM和OSEK-NM，通信協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)管理邁進(jìn)。兩者均已提交國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化。到目前為止，汽車(chē)制造商一直在使用專(zhuān)有軟件解決方案。

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當(dāng)然，將CAN內(nèi)核實(shí)現(xiàn)到其微控制器中的半導(dǎo)體供應(yīng)商主要集中在汽車(chē)行業(yè)。自1990年代中期以來(lái)，英飛凌科技公司（以前為西門(mén)子半導(dǎo)體公司）和摩托羅拉公司（外包為飛思卡爾，后來(lái)被NXP收購(gòu)）已經(jīng)向歐洲汽車(chē)制造商及其供應(yīng)商運(yùn)送了大量CAN控制器。自1990年代末以來(lái)，遠(yuǎn)東半導(dǎo)體供應(yīng)商也開(kāi)始提供CAN控制器。NEC在1994年推出了他們傳奇的CAN芯片72005，但為時(shí)過(guò)早-該組件在商業(yè)上并不成功。
自1991年以來(lái)，奔馳一直在其汽車(chē)中使用CAN。第一步，通過(guò)CAN連接負(fù)責(zé)發(fā)動(dòng)機(jī)管理的電子控制單元。1995年，寶馬在其7系汽車(chē)中使用了帶有五個(gè)ECU（電子控制單元）的樹(shù)/星拓?fù)銫AN網(wǎng)絡(luò)。第二步，跟隨人體電子設(shè)備所需的控制單元。實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)物理上分離的CAN網(wǎng)絡(luò)，通常通過(guò)網(wǎng)關(guān)連接。其他汽車(chē)制造商也沿用了奔馳的方式，通常在乘用車(chē)中實(shí)現(xiàn)兩個(gè)CAN網(wǎng)絡(luò)。如今，他們都在自己的車(chē)輛中實(shí)現(xiàn)了多個(gè)CAN網(wǎng)絡(luò)。
在1990年代初期，美國(guó)機(jī)械工程公司Cincinnati Milacron的工程師與Allen-Bradley和Honeywell Microswitch共同成立了一家合資公司，以基于CAN的控制和通信項(xiàng)目。但是，不久之后，重要的項(xiàng)目成員換了工作，合資企業(yè)瓦解了。但是Allen-Bradley和Honeywell分別繼續(xù)工作。這導(dǎo)致了至少在較低的通信層中非常相似的兩個(gè)高層協(xié)議“ DeviceNet”和“智能分布式系統(tǒng)”（SDS）。1994年初，Allen-Bradley將DeviceNet規(guī)范移交給了“開(kāi)放DeviceNet供應(yīng)商協(xié)會(huì)”（ODVA），這促進(jìn)了DeviceNet的普及。Honeywell未能在SDS上采取類(lèi)似的方式，這使SDS看起來(lái)更像是Honeywell微動(dòng)的內(nèi)部解決方案。DeviceNet是專(zhuān)為工廠自動(dòng)化而開(kāi)發(fā)的，因此，它本身就是Profibus-DP和Interbus等協(xié)議的直接對(duì)手。提供現(xiàn)成的即插即用功能，DeviceNet已成為美國(guó)這個(gè)特定細(xì)分市場(chǎng)中領(lǐng)先的總線系統(tǒng)。
在歐洲，幾家公司嘗試使用CAL。盡管CAL方法在學(xué)術(shù)上是正確的，并且可以在工業(yè)應(yīng)用中使用它，但是每個(gè)用戶都需要設(shè)計(jì)一個(gè)新的配置文件，因?yàn)镃AL是真正的應(yīng)用程序?qū)?。CAL可以看作是獨(dú)立于應(yīng)用程序的CAN解決方案必不可少的學(xué)術(shù)步驟，但它從未在該領(lǐng)域獲得廣泛認(rèn)可。
自1993年以來(lái)，在Esprit項(xiàng)目ASPIC的范圍內(nèi)，由博世領(lǐng)導(dǎo)的歐洲財(cái)團(tuán)一直在開(kāi)發(fā)CANopen的原型。它是用于生產(chǎn)單元內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的CAL配置文件。在學(xué)術(shù)方面，來(lái)自德國(guó)羅伊特林根應(yīng)用科學(xué)大學(xué)的Gerhard Gruhler教授和來(lái)自英國(guó)紐卡斯?fàn)柎髮W(xué)的Mohammed Farsi博士參加了有史以來(lái)最成功的Esprit活動(dòng)之一。項(xiàng)目完成后，CANopen規(guī)范移交給了CiA，以進(jìn)行進(jìn)一步的開(kāi)發(fā)和維護(hù)。1995年，發(fā)布了經(jīng)過(guò)完全修訂的CANopen通信配置文件，并在短短五年內(nèi)成為歐洲最重要的標(biāo)準(zhǔn)化嵌入式網(wǎng)絡(luò)。
第一個(gè)CANopen網(wǎng)絡(luò)用于內(nèi)部機(jī)器通信，尤其是驅(qū)動(dòng)器。CANopen提供了很高的靈活性和可配置性。高層協(xié)議已用于多個(gè)非常不同的應(yīng)用領(lǐng)域（工業(yè)自動(dòng)化，航海電子，軍用車(chē)輛等），同時(shí)其國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)為EN 50325-4（2003）。CANopen尤其在歐洲使用。意大利的注塑機(jī)，德國(guó)的木鋸和機(jī)器，英國(guó)的卷煙機(jī)，法國(guó)的起重機(jī)，奧地利的搬運(yùn)機(jī)以及瑞士的鐘表制造機(jī)只是工業(yè)自動(dòng)化和機(jī)械制造中的幾個(gè)例子。在美國(guó)，推薦將CANopen用于叉車(chē)并將其用于信件分揀機(jī)中。
CANopen不僅定義了應(yīng)用程序?qū)雍屯ㄐ排渲梦募?，而且還定義了可編程系統(tǒng)以及不同設(shè)備，接口和應(yīng)用程序配置文件的框架。這是整個(gè)行業(yè)（例如印刷機(jī)，海事應(yīng)用，醫(yī)療系統(tǒng)）決定在1990年代后期使用CANopen的重要原因。
借助DeviceNet和CANopen，可以使用兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化的（IEC 62026-3或EN 50325-4 / 5）應(yīng)用層，以滿足不同的工業(yè)自動(dòng)化市場(chǎng)的需求。DeviceNet針對(duì)工廠自動(dòng)化進(jìn)行了優(yōu)化，而CANopen特別適合于各種機(jī)器控制中的嵌入式網(wǎng)絡(luò)。這使得專(zhuān)有的應(yīng)用程序?qū)右堰^(guò)時(shí)。定義特定于應(yīng)用程序的應(yīng)用程序?qū)拥谋匾砸殉蔀闅v史（也許，對(duì)于某些專(zhuān)用的大容量嵌入式系統(tǒng)而言除外）。

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在2000年初，一個(gè)由數(shù)家公司組成的ISO特別工作組為CAN幀的時(shí)間觸發(fā)傳輸定義了一個(gè)協(xié)議。Bernd Mueller博士，Thomas Fuehrer博士和其他博世員工，以及半導(dǎo)體行業(yè)和學(xué)術(shù)研究專(zhuān)家共同定義了協(xié)議“ CAN上的時(shí)間觸發(fā)通信”（TTCAN，Time-triggered communication on CAN）。
這種CAN擴(kuò)展可以實(shí)現(xiàn)時(shí)間等量的幀傳輸和通過(guò)CAN的閉環(huán)控制的實(shí)現(xiàn)，而且還可以在x-by-wire的應(yīng)用中使用CAN。由于CAN協(xié)議未更改，因此可以通過(guò)同一物理總線系統(tǒng)傳輸時(shí)間觸發(fā)幀和事件觸發(fā)幀。但是，汽車(chē)行業(yè)尚未采用TTCAN。而且，工業(yè)用戶很少使用時(shí)間觸發(fā)的協(xié)議擴(kuò)展。他們改用CANopen中指定的同步傳輸功能，可以說(shuō)是一種軟時(shí)間觸發(fā)方法。

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在90年代后期，發(fā)明了幾種基于CAN的專(zhuān)有安全協(xié)議。幸存下來(lái)的是德國(guó)Pilz生產(chǎn)的Safetybus p。在1999年，CiA開(kāi)始開(kāi)發(fā)CANopen-Safety協(xié)議，該協(xié)議已獲得德國(guó)TüV的批準(zhǔn)。經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)構(gòu)的大量參與之后，此CANopen擴(kuò)展（CiA 304）在EN 50325-5（2009）中進(jìn)行了國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化。
DeviceNet使用CIP安全協(xié)議擴(kuò)展。全球領(lǐng)先的船級(jí)社之一的德國(guó)勞埃德船級(jí)社（Germanischer Lloyd）已批準(zhǔn)了適用于海事應(yīng)用的CANopen框架（CiA 307）。除其他外，該框架規(guī)定了從默認(rèn)的CANopen網(wǎng)絡(luò)到冗余總線系統(tǒng)的自動(dòng)切換。如今，這些功能已在CiA 302系列其他CANopen應(yīng)用層功能中得到了概括和指定。

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